Arduino平臺下的單相用電器分析監測系統研究

李成勇

(重慶工程學院 電子與物聯網學院，重慶 400056)

0　引言

隨著電子科技的飛速發展，當今電子儀表的智能化程度與測量的精度有了進一步的提高，本系統以此為研發突破點，利用Arduino/Genuino Mega or Mega 2560為開發環境，以ATmega 2560(Mega 2560)為主控芯片[1]，設計出單相用電器分析監測系統，通過SD3004模塊對采集到的用電器電參數進行分析、處理，從而得到其類別和狀態，運用EEPROM庫來存儲數據，從而達到對電參數的記錄，并將其在LCD12864液晶模塊上進行顯示。同時具有學習、記憶和識別等功能。最后，通過主控模塊、驅動顯示模塊和信息采集模塊在單項監測電路中檢測用電器的相關特征參量，通過軟硬件調控達到對精度的要求[2]。此設計主要優點在于線路簡單、設計美觀、操作便捷，便于推廣應用。

1　系統總體設計

1.1　系統組成

根據用戶要求，此系統裝置具有學習功能、分析監測功能和清除功能。當一個陌生的用電器接入插座時，需要學習并能夠儲存和識別該用電器的種類和基本參數信息；當裝置熟悉的一個用電器接入插座時，可以實時分析監測并顯示該用電器的種類和基本參數信息；并且支持增加、刪除原始數據，操作便利快捷。因此，系統總體方案設計構架如圖1所示。

圖1　系統架構

該系統裝置以市電輸入作為電源端，SD3004采樣模塊接入插座的零線和火線，在插座上連接一個負載，然后通過SD3004對該負載進行A/D采樣，將采樣參數發送到主控芯片進行分析和處理，同時自動生成任務模塊。在學習模式下，主控芯片會將采樣參數儲存，利用驅動模塊控制液晶顯示參數。在分析監測模式下，主控芯片會將采樣參數與儲存參數比對，比對成功后，顯示模塊顯示其特征參數。

1.2　主要模塊比較與選擇

主控芯片模塊有3種方式：

① 采用主流嵌入式控制器STM32系列作為控制平臺。STM32系列嵌入式芯片具有ARM Cortex-M3內核。內部資源豐富，I/O口最多可達112個，有多種通信方式，可以自由擴展外部接口電路，資源使用方便。但這類嵌入式芯片由于寄存器太多，達到100多個，對于短期開發造成資源大面積浪費，系統精度要求不高的情況下，編程相對復雜[3]。

② 采用STC89C51作為主控芯片，超強抗干擾能力；超大容量，最高4.2 K；超低功耗，正常工作模式，功耗4～7 mA；性價比高；但是STC89C51只支持8位運算，128 Byte的內部RAM，運算速度慢，精度不高，引腳數量達不到要求，雖然可以使用擴展功能，但是電路連接復雜，適用于教學使用[4]。

③ 采用Arduino Genuino Mega為控制芯片，比51系列單片機最大優勢在于I/O比較多，本系統設計需要多路數字輸入/輸出口，而Arduino Genuino Mega適合需要大量IO接口的設計，可以實現本裝置的精度[5]和運行速度要求[6]。

綜合以上分析，從功能、特點和性能指標進行比較，本設計采用TMEGA-2560嵌入式芯片作為主控芯片。

監測模塊可以采用2種方式：

① 采用SD3003模塊，該模塊主要用于電能計量在LCD/LED上顯示，具有SOC解決方案，優點是降低計量插座電路設計等復雜度，但性價比不高[7]，較復雜，不能滿足其精度要求[8]。

② 采用SD3004模塊，該模塊是SD3003模塊升級版，有效簡化了計量插座電路設計等復雜度與生產成本。性價比高[9]，精度符合要求[10]。

綜合以上分析，本設計主要由4個模塊組成：ATMEGA-2560作為主控制模塊，加載12864-BLCD顯示模塊，同時采用由SD3004芯片構成的數據采集模塊。通過USB串口將程序下載到ATMEGA-2560微處理器進行處理，通過數據采集模塊采集各個用電器的電壓、電流、功率和電量參數，然后用12864-BLCD顯示模塊進行顯示。

2　理論分析與計算

2.1　理論分析

有效值計算是采樣模塊的核心部分，其中采樣計算得出的電壓有效值、電流有效值以及功率有效值是運算的關鍵。實際的電流、電壓的瞬時值都隨時間而改變，為一個連續的波形，經過系統裝置的AD轉換模塊后變換成一連串的數值，該過程為離散化處理流程，是本裝置采集參數的第一個步驟。

電壓、電流的有效值表達式為[11]：

(1)

(2)

其中第1步表現為連續變量的積分形式，第2步為實際的離散化后的累加和形式。N為采樣點個數。

有功功率是電能轉換為其他形式能力的電功率。平均有功功率定義[12]如下：

(3)

有功功率離散化公式[13]為：

(4)

用電量計算公式[14]為：

W=UIt，

(5)

式中，W為用電量；U為額定電壓；I為額定電流；t為工作時間，適用于任何電路。

2.2　檢測電路設計

采用SD3004為檢測芯片，主要為了得到用電器的有效電壓和電流，此芯片具有校表功能，同時累計計量電能，支持提供高速輸出，檢測電路如圖2所示。

圖2　檢測電路原理

2.3　特征參量設計

系統選用功率差別較大的幾種用電器進行實驗，功率是指物體在單位時間內所做的功的多少，即用來描述做功快慢的物理量[15]。有助于裝置判斷用電器類別，利用程序計算此參數。

電流的大小是反映在單位時間里通過導體任一橫截面的電量大小，電流之所以能夠在導線中流動，也是因為在電流中有著高電勢和低電勢之間的差別，選用此參數也是保證實驗的重要原因[16]。

電壓是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產生的能量差的物理量，電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因，它反映了電路中能量差的大小[17]。

電量指用電設備(用電器)所需用電能的數量，根據電量的顯示可以看出該用電器的用電總和情況，特別是大功率電器，更能夠反映出其用電器用電量，此參數可利用程序計算實現[18]。

3　電路與程序設計

3.1　電路設計

電流檢測電路如圖3所示。采用電流互感器檢測電流，以差分信號的方式輸入SD3004；電壓檢測電路如圖4所示。采用直接與負載并聯的方式拾取電壓，經信號處理后送入SD3004第45腳。

圖3　電流檢測電路

圖4　電壓檢測電路

3.2　程序設計

系統的程序主要由主控通信程序、學習模式程序和分析監測模式程序組成。

利用MEGA2560為主控芯片，提取監測模塊采集的參數，利用儲存功能，記錄其參數。此芯片在數據處理過程中不允許采集參數，為了保證其參數的一致性，采樣過程必須初始化，其主控通信模塊程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程

首先進行初始化，然后進行模式選擇，若進入學習模式，則通過電感線圈進行數據采樣，然后通過SD3004芯片對數據進行處理，將其存儲在EEPROM庫中，并通過LCD12864完成數據顯示；若進入監測模式，則從EEPROM庫讀取數據，并通過LCD12864完成數據顯示。子程序流程框圖如圖6和圖7所示，主要完成電流、功率和電壓等參數的監測功能。

圖6　學習模式程序流程

圖7　分析監測模式程序流程

利用線圈采集電路參數，當有交流電經過線圈時，周圍將出現隨時間而變化的磁力線，根據法拉第電磁感應原理，線圈兩端會產生感應電動勢，相當于一個新的供能系統，當形成閉合的回路時，此感應電動勢會通過線圈的數量計算感應電流，最后可根據電壓和電流求出功率和電量值。

4　測試結果與分析

系統裝置制作完成，將準備的用電器接入到插座上，并提前記錄用電器的額定特征參數信息。分別以學習模式和分析監測模式對用電器的參數進行識別，在學習模式下，觀察裝置是否能夠成功學習并儲存。在分析監測模式下，隨機增加或減少用電器數量，觀察并對比HMI屏上顯示情況。將2種模式下顯示在HMI屏幕上的識別信息記錄備用，對比分析用電器的識別參數信息、記錄，系統測試效果界面如圖8所示。

圖8　系統測試效果界面

根據測試要求，用不同的用電器采集對應的電流、電壓、功率和電量等值，其中學習模式測試數據如表1所示，分析檢測模式測試數據如表2所示。用電器測試數據及測試過程滿足下列條件，測量數據有效。

① 用電器電流范圍在0.002～10 A間都可以檢測到，包括但不限于以下電器：LED燈、節能燈、USB充電器(帶負載)、無線路由器、機頂盒、電風扇和熱水壺。

② 可識別的電器工作狀態總數不低于7，電流不大于50 mA的工作狀態數不低于5，同時顯示所有可識別電器的工作狀態。

③ 實時指示用電器的工作狀態并顯示電源線上的電特征參數，響應時間不大于2 s。特征參量包括電流和其他參量。電器的種類及其工作狀態、參量種類用序號表示。

在學習模式下，系統裝置可以學習一種新的用電器參數，并儲存數據，待該用電器與插座再次接入時，可以準確地完成對該用電器的類型識別和特征參量顯示，并且支持刪除原始數功能。

在分析監測模式下，該裝置可以隨機接入用電器類型，通過液晶屏幕顯示特征參數信息，盡管與額定參數有一定誤差，由于考慮到用電器在使用時參數在不斷變化，因此可忽略此誤差。

根據測試結果，可實現工業化生產要求的功能，同時滿足精度要求，利用這樣的裝置不僅把電特征參量以科學的方式顯示出來，而且還符合智能生活的發展需求。

由上述測試分析結果可知，實際數據與顯示數據存在一定的誤差，但是誤差都在規定的誤差范圍之內，主要誤差來源于傳感器的靈敏度和工藝差異問題。

表1學習模式測試數據

用電器類別(學習模式)額定功率/測試值/W額定電流/測試值/A額定電壓/測試值/V電量值(累加)/(W/h)學習與判定電鉆500/494．002．2/2．123220/232．72596．00成功/正確電烙鐵35/34．000．16/0．156220/223．973120．00k成功/正確手機充電器6/5．000．027/0．022220/225．696183．00k成功/正確

表2分監模式測試數據

用電器類別(分監模式)額定功率/測試值/W額定電流/測試值/A額定電壓/測試值/V電量值(累加)/(kW/h)判定正誤熱水壺1350/1347．006/5．885220/232．983276．00正確電吹風1200/1169．005．5/5．321220/218．123389．00正確剃須刀8/7．000．03/0．033220/226．568406．00正確電蚊香5/4．000．02/0．018220/243．365415．00正確小電機6/6．000．03/0．268220/240．214436．00正確電動牙刷2/1．000．01/0．013220/226．872493．00正確床頭小燈0．4/0．400．002/0．002220/218．412572．00正確

5　結束語

根據系統裝置性能指標的需要，進行了電路硬件設計，采用了模塊設計方法，將系統分成多個模塊，再分別以模塊的不同功能設計程序。通過比較當前工程領域對這些模塊電路的不同設計思想，根據實際需要，選擇最優的方案進行制作系統模型。

在實驗室條件下，對設計的裝置進行多次調試和分析，參數達到了工業生產所提出的各項指標。在以后的系統優化中，將會對其采用更加先進的嵌入式控制器系統，使誤差范圍進一步變小，爭取發揮本分析檢測系統的優勢，將其完善得更好。

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